淺談恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

　　淺談恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

　　孫宗宇、李驥

　　摘要結(jié)合近年來典型工程實(shí)踐,對高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的一些問題進(jìn)行分析,總結(jié)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中必要的技術(shù)措施和體會,以供設(shè)計參考。

　　恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù),是將室內(nèi)的溫濕度及潔凈度控制在一定的波動范圍內(nèi),以滿足工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等特殊場合對室內(nèi)環(huán)境的要求[1]。近年來,隨著我國生產(chǎn)力的發(fā)展和科技水平的不斷提高,恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用場合越來越多,溫濕度要求也不斷提高。在電子、醫(yī)藥、計量、紡織、光學(xué)儀器和農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域,恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的精度和可靠性直接關(guān)系著產(chǎn)品的品質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)的冷熱源配置、空氣熱濕處理、氣流組織和系統(tǒng)控制等方面均與舒適性空調(diào)系統(tǒng)存在較大差異。筆者結(jié)合近年來典型工程實(shí)踐,討論恒溫恒濕系統(tǒng)設(shè)計中需要注意的若干問題。

　　1、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的確定

　　恒溫恒濕間室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的確定取決于產(chǎn)品、實(shí)驗(yàn)對像或?qū)嶒?yàn)設(shè)備的要求。不同的精度和可靠性等要求,往往使恒溫恒濕系統(tǒng)的復(fù)雜性大不相同,也極大地關(guān)系到系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用。盲目地提高精度要求,往往會導(dǎo)致初投資和運(yùn)行費(fèi)用成倍增加;相反,如果精度要求過低,可能直接導(dǎo)致生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)活動的失敗。因此,在系統(tǒng)設(shè)計之前,需要暖通專業(yè)人員與使用方根據(jù)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)對像的要求,準(zhǔn)確地提出室內(nèi)環(huán)境的要求。

　　主要包括:

　　1)控制區(qū)域。在某些生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)過程中,需要對整個房間的溫濕度進(jìn)行控制。但更多的情況是只須對特定的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格控制。

　　2)基準(zhǔn)溫濕度。很多生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)要求基準(zhǔn)溫濕度為固定不變的值,例如很多計量實(shí)驗(yàn)要求的基準(zhǔn)溫度為22℃,一些紡織類的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)要求基準(zhǔn)相對濕度為65%。還有一些特殊的實(shí)驗(yàn)過程和氣候室,要求室內(nèi)的基準(zhǔn)溫濕度可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,此時需要確認(rèn)其變化范圍和變化時間。

　　3)溫濕度精度。溫濕度精度一般包括2方面的要求,即單一控制點(diǎn)的時間變化率和均勻度。在參數(shù)確認(rèn)階段,必須明確精度要求的涵義。均勻度要求一般針對溫度精度,可以用垂直方向和水平方向的溫度梯度要求的方式提出。

　　4)新風(fēng)要求。新風(fēng)要求一般根據(jù)室內(nèi)工作人員數(shù)量提出。新風(fēng)對室內(nèi)環(huán)境擾動極大,因此新風(fēng)量的確定應(yīng)該盡可能合理、準(zhǔn)確。由于一般恒溫恒濕環(huán)境所需要的換氣次數(shù)較多,因此不能采用最小新風(fēng)比的方法確定。

　　5)可靠性要求。某些實(shí)驗(yàn)周期較長或重要的場合,對恒溫恒濕環(huán)境的可靠性有明確要求,如要求系統(tǒng)可連續(xù)不間斷運(yùn)行若干時間。此時需要在設(shè)備的備用方面加以考慮。

　　6)其他。某些電子醫(yī)藥類實(shí)驗(yàn)環(huán)境對凈化級別有嚴(yán)格的要求。有一些實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制噪聲和振動,還有可能要求室內(nèi)保持一定正壓或負(fù)壓。

　　2、冷熱負(fù)荷和環(huán)境擾動因素

　　影響恒溫恒濕間熱濕環(huán)境的主要擾動因素包括:圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)、人員、燈光和設(shè)備等。在恒溫恒濕環(huán)境的設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)要求采取不同措施減少或消除這些因素對熱濕環(huán)境的影響。

　　主要措施包括:

　　1)采用內(nèi)保溫等措施優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能,提高門窗的密閉性。

　　2)合理設(shè)置房間建筑布局,較高精度要求的恒溫恒濕間一般不應(yīng)設(shè)在有外窗的房間;在必要時,在高精度恒溫恒濕間外應(yīng)設(shè)置套間,并將套間的溫度控制在合理范圍內(nèi)！

　　3)提高生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)的自動化水平,盡量減少室內(nèi)人員數(shù)量;根據(jù)實(shí)驗(yàn)人數(shù)和衛(wèi)生要求確定新風(fēng)量,減少不必要的新風(fēng)量要求;在一些場合需要對新風(fēng)進(jìn)行單獨(dú)處理后再與回風(fēng)混合。

　　4)采用發(fā)熱量小的節(jié)能燈具;

　　5)減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的散熱量,對于必需的發(fā)熱設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離溫濕度控制區(qū)域,或采取局部冷卻措施。

　　3、空氣處理過程

　　與舒適性空調(diào)不同,恒溫恒濕環(huán)境的冷熱源容量很大程度上取決于采用什么樣的空氣處理過程和換氣次數(shù),而不一定取決于空調(diào)負(fù)荷的大小。總體而言,恒溫恒濕系統(tǒng)一般采用先冷卻、除濕,再加熱、加濕的空氣處理過程,用控制加熱量和加濕量的方法控制室內(nèi)溫濕度的精度。

　　3.1定露點(diǎn)控制的一次回風(fēng)系統(tǒng)一般恒溫恒濕系統(tǒng)均采用一次回風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。

　　以夏季處理過程為例,回風(fēng)(N)與新風(fēng)(W)混合后(C),經(jīng)表冷器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)(L),經(jīng)一級加熱到達(dá)O點(diǎn),再經(jīng)等焓加濕(O—O′)和二級加熱(O′—O′)到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O′,送入恒溫恒濕房間,空氣處理過程如圖2(a)所示。根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷與擾動的變化,送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)可以在圖2(b)所示的范圍內(nèi),采用PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　其中等焓加濕過程一般采用電極加濕、電熱加濕或直接進(jìn)行蒸汽加濕,當(dāng)精度要求不高時,也可采用濕膜加濕。二級加熱一般采用電加熱,以方便實(shí)現(xiàn)對加熱量的控制。設(shè)計送風(fēng)溫差可根據(jù)不同的末端方式和精度選取,精度較高的系統(tǒng)一般不應(yīng)大于2～3℃.

　　采用定露點(diǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)比較穩(wěn)定、抗干擾,缺點(diǎn)是能耗大,適用于面積較小、精度要求高的場合。

　　3.2新風(fēng)單獨(dú)除濕

　　定露點(diǎn)控制的一次回風(fēng)系統(tǒng)由于需要將混風(fēng)處理到機(jī)器露點(diǎn),往往能耗較高。因此,當(dāng)面積較大,且換氣次數(shù)較多時,可以考慮采用新風(fēng)承擔(dān)主要濕負(fù)荷的系統(tǒng),此時可以適當(dāng)減小循環(huán)風(fēng)冷卻段和加熱段的容量,減少冷熱抵消。該系統(tǒng)采用表冷和轉(zhuǎn)輪除濕對新風(fēng)進(jìn)行處理,如圖3所示。

　　以夏季處理過程為例,新風(fēng)(W)經(jīng)表冷器處理至機(jī)器露點(diǎn)L后,再由除濕器以近似等焓減濕過程處理至X點(diǎn),再與回風(fēng)混合(C),經(jīng)表冷器等濕冷卻至O點(diǎn),再經(jīng)等焓加濕(O—O′)和加熱(O′—O′)到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O′,送入恒溫恒濕房間,空氣處理過程如圖4所示。

　　由于完全由新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷,這種系統(tǒng)對新風(fēng)除濕的要求較高,需要達(dá)到較低的含濕量。

　　4、冷熱源的選擇

　　恒溫恒濕系統(tǒng)的冷源設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際需求采用各種不同的型式。采用直接蒸發(fā)式機(jī)組可以在同一設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷源與空氣處理功能,包括風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機(jī)組和水冷直接蒸發(fā)式機(jī)組。目前的柜式恒溫恒濕機(jī)組大部分均采用這2種方式,在精度和控制要求不高的場合(如±0.5℃),可以直接采用這種機(jī)組。

　　采用直接蒸發(fā)式機(jī)組時,由于風(fēng)系統(tǒng)的隋性小,機(jī)組啟停時系統(tǒng)溫濕度變化非常劇烈,這就對控制系統(tǒng)的調(diào)試提出了更高的要求。因此當(dāng)系統(tǒng)較大、精度要求較高時,一般推薦采用風(fēng)冷冷水機(jī)組或水冷冷水機(jī)組制備冷水作為冷源,并單獨(dú)設(shè)置空氣處理機(jī)組。

　　需要注意的一點(diǎn)是,無論選擇哪種型式的冷源,一般都需要其在全年具有制冷能力,包括過渡季和冬季。當(dāng)采用風(fēng)冷型機(jī)組時,需要考慮當(dāng)?shù)氐亩臼彝鉁囟?尤其是北方地區(qū),保證冷凝壓力在合理范圍內(nèi)。對可靠性要求較高的場合,還應(yīng)考慮冷源的備用問題。

　　恒溫恒濕系統(tǒng)的熱源根據(jù)需要可以選擇熱水、蒸汽或電加熱等型式,根據(jù)控制要求可采用一級或多級加熱。對于精調(diào)加熱器,應(yīng)選擇調(diào)節(jié)性能較好的電加熱器。

　　5、風(fēng)系統(tǒng)和氣流組織的設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)不同的精度要求,風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用不同的換氣次數(shù)。在系統(tǒng)劃分時,不同基準(zhǔn)溫度要求的房間的風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)分開獨(dú)立設(shè)置。相同基準(zhǔn)溫度、不同精度要求的房間可劃分為同一系統(tǒng),但應(yīng)采用不同的換氣次數(shù),并設(shè)置調(diào)節(jié)閥門,也可以在各送風(fēng)支管上設(shè)置精調(diào)加熱器。

　　末端氣流組織形式一般采用上送下回方式。應(yīng)確保溫濕度控制區(qū)域的風(fēng)速衰減至正常范圍,并使送風(fēng)與室內(nèi)空氣充分混合后進(jìn)入工作區(qū)?；仫L(fēng)口應(yīng)設(shè)置在室內(nèi)散熱設(shè)備位置或人員活動區(qū)。當(dāng)均勻度要求較高時,應(yīng)采用孔板送風(fēng)方式.

　　6、結(jié)束語

　　由于恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性,設(shè)計人員一方面需要充分了解使用方的要求,考慮各種情況,使設(shè)計的系統(tǒng)符合全年各種工況要求;另一方面需要與施工和調(diào)試人員緊密配合,確保系統(tǒng)的順利實(shí)施。

　　參考文獻(xiàn)

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　　版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995:49,242,255